(57)【要約】【課題】高カロリーオフガスに適用できる、信頼性が高く、経済的な開閉装置および開閉方法を提供する。【解決手段】高温ガス配管の開閉装置は、内部に粉体が貯留されるシールタンク２を有している。シールタンク２は、高温ガスを内包する第１の領域５につながる第１の接続管５１の一端が、第１の高さでシールタンク２に開口し、高温ガスを内包しないことのある第２の領域１につながる第２の接続管１５の一端が、第１の高さよりも低い第２の高さでシールタンク２に開口している。また、開閉装置は、シールタンク２内の粉体の貯留量を、粉体の高さが第１の高さと第２の高さとの中間となる状態と、粉体の高さが第２の高さ以下となる状態との間で切替える粉体貯留量制御機構を有している。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に粉体が貯留されるシールタンクであって、高温ガスを内包する第１の領域につながる第１の接続管の一端が、第１の高さで該シールタンクに開口し、前記高温ガスを内包しないことのある第２の領域につながる第２の接続管の一端が、前記第１の高さよりも低い第２の高さで該シールタンクに開口しているシールタンクと、
前記シールタンク内の前記粉体の貯留量を、前記粉体の高さが前記第１の高さと前記第２の高さとの中間となる状態と、前記粉体の高さが前記第２の高さ以下となる状態との間で切替える粉体貯留量制御機構とを有する、高温ガス配管の開閉装置。
【請求項２】
前記粉体貯留量制御機構は、
該シールタンクの上方に設けられ、前記粉体を該シールタンクに供給する供給タンクと、
該供給タンクと該シールタンクとを結び、前記粉体が該シールタンクに供給されるときに開放される供給管と、
該シールタンクの下方に設けられ、該シールタンクから排出される前記粉体を受け取る排出タンクと、
該排出タンクと該シールタンクとを結び、前記粉体が該シールタンクに供給されるときに閉止され、前記粉体が該シールタンクから排出されるときに開放される排出管と
を有する、請求項１に記載の高温ガス配管の開閉装置。
【請求項３】
前記排出タンクと前記シールタンクとを結び、前記排出タンクと前記シールタンクとを均圧させる均圧管をさらに有している、請求項２に記載の高温ガス配管の開閉装置。
【請求項４】
前記粉体貯留量制御機構は、前記排出タンクに排出された前記粉体を前記供給タンクに戻す粉体戻し機構をさらに有する、請求項２に記載の高温ガス配管の開閉装置。
【請求項５】
前記粉体戻し機構は、前記排出タンクの下方に設けられた粉体戻り管と、
該粉体の搬送媒体である搬送気体を供給する気体戻り管と、
該気体戻り管の途中に設けられ、該搬送気体に駆動力を与える送風手段と、
前記粉体戻り管と前記気体戻り管との合流点と、前記供給タンクとを結び、前記粉体と前記搬送気体との混合流を搬送する戻り管と、
該戻り管の途中に設けられ、前記粉体を前記混合流から分離し、該粉体を前記供給タンクに、該搬送気体の少なくとも一部を前記気体戻り管に、各々供給する分離機構とを有する、請求項４に記載の高温ガス配管の開閉装置。
【請求項６】
前記シールタンクは、下部が先細り形状となっており、該下部の先端に前記排出管が接続している、請求項２に記載の高温ガス配管の開閉装置。
【請求項７】
前記シールタンクは、上面を前記第２の接続管が貫通し、該第２の接続管は、略垂直に前記シールタンク内部を延びている、請求項１に記載の高温ガス配管の開閉装置。
【請求項８】
前記第２の接続管の前記シールタンク側の端部付近に、前記第２の接続管内の空気を含むガスを前記第２の領域側へパージする不活性ガスパージ配管をさらに有する、請求項１に記載の高温ガス配管の開閉装置。
【請求項９】
内部に粉体が貯留されるシールタンクであって、高温ガスを内包する第１の領域につながる第１の接続管の一端が、第１の高さで該シールタンクに開口し、前記高温ガスを内包しないことのある第２の領域につながる第２の接続管の一端が、前記第１の高さよりも低い第２の高さで該シールタンクに開口しているシールタンクを用いた、高温ガス配管の開閉方法であって、
前記第２の領域を前記第１の領域からシールするシール操作時には、前記粉体の高さを前記第１の高さと前記第２の高さとの中間にするステップをおこない、
前記第２の領域を前記第１の領域と連通させる連通操作時には、前記粉体の高さを前記第２の高さ以下にするステップをおこなう、高温ガス配管の開閉方法。
【請求項１０】
前記シール操作時は、
前記シールタンクの下方に設けられた排出タンクと該シールタンクとを結ぶ排出管を閉止するステップと、
前記シールタンクの上方に設けられた供給タンクに前記粉体を充填する充填ステップと、
該供給タンクと該シールタンクとを結ぶ供給管を開放し、前記粉体を該シールタンクに供給するステップとをさらに有し、
前記連通操作時は、
前記排出管を開放し、前記粉体を前記排出タンクに排出させるステップをさらに有する、請求項９に記載の高温ガス配管の開閉方法。
【請求項１１】
前記連通操作時に、前記排出タンクと前記シールタンクとを均圧させるステップをさらに有する、請求項１０に記載の高温ガス配管の開閉方法。
【請求項１２】
前記充填ステップは、
前記粉体を前記排出タンクから排出させるステップと、
該粉体の搬送媒体である搬送気体に送風手段で駆動力を与えるステップと、
排出された前記粉体を、前記送風手段で駆動された前記搬送気体との混合流として、前記シールタンク付近まで搬送するステップと、
前記シールタンク付近まで搬送された粉体を前記混合流から分離するステップと、
分離された前記粉体を前記供給タンクに充填するステップと、
分離された少なくとも一部の前記搬送気体を前記送風手段まで送るステップとを有する、請求項１０に記載の高温ガス配管の開閉方法。
【請求項１３】
前記シール操作後に、前記高温ガスが前記第１の領域から前記第２の接続管へ所定量以上漏れたときに、前記第２の接続管内の空気を含むガスを前記第２の領域側へパージするステップをさらに有する、請求項９に記載の高温ガス配管の開閉方法。
【請求項１４】
前記供給タンクの内圧は、常圧から、前記第１の領域の内圧を超える圧力までの範囲で制御される、請求項１０に記載の高温ガス配管の開閉方法。
【請求項１５】
前記粉体を前記排出タンクから排出させるステップにおいて、該粉体の一部を該排出タンクに残し、該排出タンクの排出口をシールする、請求項１２に記載の高温ガス配管の開閉方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粉体を用いた高温ガス配管の開閉装置および開閉方法に関し、特に、コークス炉から発生する高温オフガスを内包する配管の開閉装置および開閉方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
製鉄プロセスにおいては、コークスが鉄鉱石の還元に用いられている。コークスは、コークス炉によって、石炭が乾留されて生産されるが、このとき同時に、水素、メタン、一酸化炭素、タール等を主成分とする高温オフガスが発生する。高温オフガスからは、コールタール、ベンゼン等を含む粗軽油、硫安や硫酸、燃料用等の石炭ガス等の副産物が生産される。
【０００３】
コークス炉は、通常数十門から百門以上の独立したコークス炉（以下、コークス門という。）が互いに隣接配置された集合体である。個々のコークス門は、他のコークス門から独立して、石炭の装入を行い、石炭を乾留し、コークスを生産し、コークスの取り出しが可能な構造になっている。一方、高温オフガスは、ドライメーンと呼ばれる、各コークス門で共用の高温オフガス収集配管で一括して収集される。このため、コークス門には、ドライメーンに高温ガスを排出する上昇管が各々設けられているのが一般的である。
【０００４】
ところで、コークス炉の主要構造材である煉瓦は、冷却されると転移を生じ、組成が変わり、炉の変形や劣化の原因となるため、温度を下げることができない。このため、コークス炉全体を自由に運転・停止するような運転ができず、コークス門を停止するには両隣のコークス門が稼動中であることを条件とするなど、停止中のコークス門の温度を下げないような運転方法がとられている。乾留は空気を遮断した密閉状態で行なわれ、乾留終了後、コークスは上昇管の上方にある蓋を大気開放した後、コークス門外に取り出される。停止したコークス門の両側のコークス門は稼動しているため、ドライメーンには常時、高温オフガスが送り込まれている。
【０００５】
ところが、コークス炉で発生する高温オフガスは、水素や軽質・重質の炭化水素、タール等の高カロリー成分のガスを含んでおり、排気されるオフガスの温度レベルはオフガスのほとんど全成分の発火点を超えているため、空気と接触すると容易に発火し、火災の原因となる。そのため、コークス門を開放する際は、ドライメーンとコークス門内部との接触を絶つ開閉装置を設ける必要がある。
【０００６】
図９に、従来技術の開閉装置の一例を示す（非特許文献１参照。）。コークス門の炭化室１１１から上昇管１１７が立ち上がり、その先でやや立ち下がって、ドライメーン１０５の内部に開口している。上昇管１１７の頂部には、炭化室１１１を大気に開放するための開口部１１６ａが設けられている。ドライメーン１０５への開口部には機械的な開閉装置２０３が設けられ、乾留が終了し、コークス取出し前に開口部１１６ａなどの上昇管上部の蓋が大気開放されるときに、開閉装置２０３は機械的または電気的に閉鎖される。また、乾留の開始前に開口部１１６ａは閉じられ、同時に開閉装置２０３は開放される。ドライメーン１０５の内部には希アンモニア水噴霧器２０１が、上昇管１１７の内部には希アンモニア水噴霧器２０２が各々設けられ、ドライメーン１０５の内部や上昇管１１７内の高温オフガスを冷却している。このような従来技術によって、炭化室側の開閉動作を可能としている。
【非特許文献１】馬場他著、「石炭化学工業」、産業図書株式会社、１９６０年、ｐ２３５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、このようなオフガスの冷却を伴う高温ガス配管の開閉方法には、以下のような問題がある。すなわち、近時、クリーンエネルギーとして着目されている水素を、コークス炉から発生する高温オフガスを原料として生産する技術が開発されつつあるが、従来技術をかかる新技術に適用する場合、以下に述べるような課題が生じるのである。
【０００８】
新技術においては、コークス炉から発生する高温オフガスに含まれるメタン等の炭化水素を改質し、水素を製造する。改質のためには、炭化水素を高温状態におき、クラッキングやリフォーミングと呼ばれる炭化水素の分解反応を促進させることが必要となる。ところが、従来技術では、炭化水素を含む高温オフガスをいったん冷却しているので、高温状態に戻すためには、冷却されたオフガスを再度加熱しなければならず、大きなエネルギーロスが発生する。標準的な１００門程度のコークス炉では、数十ＧＪ／ｈ（数十ＭＭｋｃａｌ／ｈ）程度の熱が希アンモニア水による冷却過程で捨てられており、この熱量を他の代替手段でまかなうためには、莫大な運転費の増加が避けられない。
【０００９】
そこで、この熱を捨てずに高温オフガスを高温状態で水素製造設備に供給することができれば、生産効率の高い水素製造を実現することが可能となるが、そのためには、ドライメーンと停止中のコークス門との間の開閉動作を、高温環境で実現する必要がある。開閉方法としては、まず、バルブが考えられるが、弁体を弁室内部に保持するタイプのバタフライ弁などでは、タールや灰の弁体への付着により定期的なメンテナンス・交換が必要になる可能性が高く、弁体が上下するタイプのゲート弁などでも弁座やシール部へのタール等の付着が問題となる可能性が高い。溶融塩を用いた液体開閉方式も考えられるが、高温ガスと化学反応を起こし、現状市販の溶融塩では、最悪の場合火災に至る可能性もあり、安全上課題が大きい。窒素ガス等のパージガスを用いた、フレア・スタック等に用いられるモレキュラシールの気体閉止方式は、大気とドライメーンの大気圧よりわずかに高いガスの閉止まではできない。
【００１０】
このように、従来は、炭化水素やタール等の含有率の高い高カロリーオフガスを内包する配管の開閉方法として、低温シール技術が用いられてきたのであるが、近時の水素製造等の新しい用途に伴い必要性の生じた高温開閉方法については、適用可能な技術がないのが現状である。
【００１１】
本発明は、以上の状況に基づき、高温ガス、特に炭化水素やタール等の含有率の高い高カロリーオフガスを内包する配管に適用できる、信頼性が高く、経済的な開閉装置および開閉方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の課題を解決するために、本発明の高温ガス配管の開閉装置は、内部に粉体が貯留されるシールタンクを有している。シールタンクは、高温ガスを内包する第１の領域につながる第１の接続管の一端が、第１の高さでシールタンクに開口し、高温ガスを内包しないことのある第２の領域につながる第２の接続管の一端が、第１の高さよりも低い第２の高さでシールタンクに開口している。また、本発明の高温ガス配管の開閉装置は、シールタンク内の粉体の貯留量を、粉体の高さが第１の高さと第２の高さとの中間となる状態と、粉体の高さが第２の高さ以下となる状態との間で切替える粉体貯留量制御機構を有している。
【００１３】
このように構成された高温ガス配管の開閉装置は、粉体を高温ガスの開閉要素として用いるので、粉体を安息角以下の傾斜でシールタンク内に堆積させることによって、安定したシール性能を確保することができる。化学的に不活性な粉体を用いれば、高温ガスとの化学反応のおそれもない。また、粉体自体が高温ガスによって劣化することもなく、高温ガスに含まれるタール等の物質がたとえ粉体に固着しても、シール性能への影響は軽微である。さらに、粉体は、一般的に入手でき、安価なものでも使用可能なので、維持管理も容易である。
【００１４】
粉体貯留量制御機構は、シールタンクの上方に設けられ、粉体をシールタンクに供給する供給タンクと、供給タンクとシールタンクとを結び、粉体がシールタンクに供給されるときに開放される供給管と、シールタンクの下方に設けられ、シールタンクから排出される粉体を受け取る排出タンクと、排出タンクとシールタンクとを結び、粉体がシールタンクに供給されるときに閉止され、粉体が該シールタンクから排出されるときに開放される排出管とを有していてもよい。
【００１５】
高温ガス配管の開閉装置は、排出タンクとシールタンクとを結び、排出タンクとシールタンクとを均圧させる均圧管をさらに有していてもよい。
【００１６】
粉体貯留量制御機構は、また、排出タンクに排出された粉体を供給タンクに戻す粉体戻し機構をさらに有していてもよい。
【００１７】
この際、粉体戻し機構は、排出タンクの下方に設けられた粉体戻り管と、粉体の搬送媒体である搬送気体を供給する気体戻り管と、気体戻り管の途中に設けられ、搬送気体に駆動力を与える送風手段と、粉体戻り管と気体戻り管との合流点と、供給タンクとを結び、粉体と搬送気体との混合流を搬送する戻り管と、戻り管の途中に設けられ、粉体を混合流から分離し、粉体を供給タンクに、搬送気体の少なくとも一部を気体戻り管に、各々供給する分離機構とを有するように構成することができる。
【００１８】
さらに、シールタンクは、下部が先細り形状となっており、下部の先端に排出管が接続しているような形状とすることができる。
【００１９】
また、シールタンクは、上面を第２の接続管が貫通し、第２の接続管は、略垂直にシールタンク内部を延びているような構成であってもよい。
【００２０】
高温ガス配管の開閉装置は、第２の接続管のシールタンク側の端部付近に、第２の接続管内の空気を含むガスを第２の領域側へパージする不活性ガスパージ配管をさらに有していてもよい。
【００２１】
本発明の高温ガス配管の開閉方法は、内部に粉体が貯留されるシールタンクであって、高温ガスを内包する第１の領域につながる第１の接続管の一端が、第１の高さでシールタンクに開口し、高温ガスを内包しないことのある第２の領域につながる第２の接続管の一端が、第１の高さよりも低い第２の高さでシールタンクに開口しているシールタンクを用いた、高温ガス配管の開閉方法である。本方法によれば、第２の領域を第１の領域からシールするシール操作時には、粉体の高さを第１の高さと第２の高さとの中間にするステップをおこない、第２の領域を第１の領域と連通させる連通操作時には、粉体の高さを第２の高さ以下にするステップをおこなう。
【００２２】
シール操作時は、シールタンクの下方に設けられた排出タンクとシールタンクとを結ぶ排出管を閉止するステップと、シールタンクの上方に設けられた供給タンクに粉体を充填する充填ステップと、供給タンクとシールタンクとを結ぶ供給管を開放し、粉体をシールタンクに供給するステップとをさらに有し、連通操作時は、排出管を開放し、粉体を前記排出タンクに排出させるステップをさらに有するようにしてもよい。
【００２３】
また、連通操作時に、排出タンクとシールタンクとを均圧させるステップをさらに有してもよい。
【００２４】
この際、充填ステップは、粉体を排出タンクから排出させるステップと、粉体の搬送媒体である搬送気体に送風手段で駆動力を与えるステップと、排出された粉体を、送風手段で駆動された搬送気体との混合流として、シールタンク付近まで搬送するステップと、シールタンク付近まで搬送された粉体を混合流から分離するステップと、分離された粉体を供給タンクに充填するステップと、分離された少なくとも一部の搬送気体を送風手段まで送るステップとを有するようなものでもよい。
【００２５】
さらに、シール操作後に、高温ガスが第１の領域から第２の接続管へ所定量以上漏れたときに、第２の接続管内の空気を含むガスを第２の領域側へパージするステップをさらに有していてもよい。
【００２６】
供給タンクの内圧は、常圧から、第１の領域の内圧を超える圧力までの範囲で制御されるようにしてもよい。また、粉体を排出タンクから排出させるステップにおいて、粉体の一部を排出タンクに残し、排出タンクの排出口をシールするような運転方法も可能である。
【発明の効果】
【００２７】
以上説明したように、本発明の高温ガス配管の開閉装置および開閉方法によれば、粉体を用いて高温ガス配管を開閉するので、安全性、メンテナンスの容易性、経済性等を備えつつ、確実なシール性能を発揮することができる。このため、コークス炉から発生する高温オフガスを高温状態で抽出するような、高温、高カロリーのガスを高温状態で扱うことが求められる分野や設備において、特に大きな効果を奏することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、図面を用いて、本発明の高温ガスの粉体開閉装置および開閉方法について説明する。図１には、本発明の粉体開閉装置が適用されるコークス炉の簡略化した構成図を示す。コークス炉９１は、各々が独立したコークス製造設備であるコークス門１が多数隣接配置されて構成されている。コークス門１は、例えば５０門〜１００門設けられる。各コークス門１からは、石炭を乾留する際に内部で発生する高温オフガスを排出する第２の接続管１５が延び、その他端はコークス門１毎に設けられたシールタンク２に接続している。各シールタンク２は、第１の接続管５１を介して、複数のコークス門１で共用されるドライメーン５に接続している。ドライメーン５は、高温オフガスを収集する配管であり、収集された高温オフガスは、水素製造設備（図示せず）に、高温状態を保ったまま供給される。ドライメーン５は本図では１０門のコークス門１で共用されているが、これは一つの例示であり、より多くのコークス門１で共用することもでき、より少ないコークス門１で共用してもよい。第２の接続管１５は、コークス門１から立ち上がる上昇管１７と、水平管１８と、シールタンク２に向かって立ち下がる下降管１９とから構成されている。
【００２９】
コークス炉９１で発生する高温オフガスは、通常７００〜８００℃であり、一例では、約５０％の水素と、約２５％のメタンと、約５％の一酸化炭素と、約５％のタール（蒸気状態の重質炭化水素分）を主成分とする。この他、軽質の各種炭化水素や、水蒸気や、二酸化炭素等の不活性ガスを含み、これらが、シールタンク２を通ってドライメーン５に移行する。
【００３０】
図２は、図１の２−２線に沿った、一つのコークス門の概略断面構成図である。コークス門１は、煉瓦を主要構造材とし、石炭を乾留する炭化室１１を中心として、その上部に、装入口１３を介して、石炭を装入する装入室１２が、炭化室１１の側方にコークスを取り出すコークス取出口１４が設けられている。装入口１３は開閉部１３ａによって、取出口１４は開閉部１４ａによって、各々開閉することができる。装入室１２には、各コークス門１で共用される、石炭の装入設備が設けられている（図示せず）。炭化室１１の取出口１４の反対側には、コークスを取り出す際にコークスを炭化室１１から外部へ押し出す押出機１０が設けられている。押出機１０はコークスの押出し部と、押出し部に動力を与える駆動部と、コークス門１の配列方向に移動する移動部とを有しており（以上、図示せず）、コークスの取出しが必要なコークス門１に移動して、コークスを取出口１４から外部に押出すことができる。
【００３１】
炭化室１１の上部には上昇管１７が設けられ、コークス門１の運転中に発生する高温オフガスを収集する。上昇管１７の途中から、略水平な水平管１８が分岐し、水平管１８はその先でさらに屈曲して、下降管１９となっている。下降管１９の先端は、シールタンク２の内部まで延びている。また、上昇管１７の先端は通気口１６となっており、開閉部１６ａによって開閉可能である。上述の通り、上昇管１７、水平管１８および下降管１９は、第２の接続管１５を構成し、炭化室１１とシールタンク２とを接続する。
【００３２】
シールタンク２は、内部に粉体が貯留可能なタンクであり、例えば、炭素鋼にキャスタブル内張りを設けて製作される。シールタンク２には、高温オフガスを内包する第１の領域であるドライメーン５につながる第１の接続管５１が接続されている。また、シールタンク２には、停止時には大気開放され高温ガスを内包しない第２の領域となるコークス門１につながる、第２の接続管１５の下降管１９が接続されている。シールタンク２の下端には、シールタンク２内に貯留された粉体を排出する排出管７１が接続し、シールタンク２の上面には、シールタンク２内に粉体を供給する供給管７４が接続している。さらに、不測の事態にシール部から漏れる高温オフガスをパージする防爆用の不活性ガスパージ管７８が、下降管１９の下端付近に接続している。この不活性ガスには、水蒸気や窒素ガス等を用いることができる。
【００３３】
図３には、シールタンクのより詳細な外形および内部構造を示す。図３（ａ）は、図１と同様の方向からみたシールタンクの概略斜視図であり、図３（ｂ）はシールタンクの内部構造を示す断面図である。
【００３４】
シールタンク２は直方体形状の本体部２１の下に、先端に向かって先細り形状となった下端部２２が設けられた形状を有している。本体部２１は、図面の奥行き方向に配列される他のシールタンク２と相互に隣接しやすいように、直方体形状としているが、他の形状でもかまわない。本体部２１の上面には、下降管１９が貫通する入口開口２３と、２本の供給管７４が接続する２つの入口開口２４とが設けられている。入口開口２４は、入口開口２３を中心に略対称に２つ設けられている。入口開口２４を２つ設けたのは、粉体は、後述するように、供給管７４の下方位置を頂点として円錐状に堆積することから、できるだけ、供給位置を分散させることによって、粉体をシールタンク２内に万遍なく堆積させるためである。その意味では、より多くの入口開口２４を配置することも可能で、コスト等との兼ね合いで適宜構成することができる。
【００３５】
図３（ｂ）を参照すると、下降管１９が入口開口２３を貫通してシールタンク２の内部に延びている。下端は、下降管下端レベルＥＬ２で、シールタンク２の内部空間に開口している。また、第１の接続管５１の端部は、シールタンク２の本体部２１の側面の、接続管接続レベルＥＬ５で、シールタンク２の内部空間に開口している。接続管接続レベルＥＬ５は下降管下端レベルＥＬ２よりも上方にある。これは、後述するように、接続管接続レベルＥＬ５と下降管下端レベルＥＬ２との中間のレベルまで粉体を充填し（粉体下端レベルＥＬ３、粉体上端レベルＥＬ４）、コークス門１をドライメーン５からシールするためである。
【００３６】
下端部２２の先端、すなわちシールタンク２の最下端には、出口開口２５が設けられ（排出管接続レベルＥＬ１）、排出管７１が接続している。下端部２２のテーパ角θは３０°程度としている。これは、粉体は、所定の安息角（円錐状に堆積した粉体の母線が堆積面に対してなす角度）以下の状態では、安定化し動きにくくなるため、粉体をすみやかに排出させるために、排出部をできるだけ細長い形状にするためである。通常、粉体の安息角は４５°程度以下であるため、安息角を上回る角度を与えるには、図中の角度φを４５°以上とすればよく、そのためにはテーパ角θは４５°以内に抑える必要がある。このため、テーパ角θを３０°程度とした。
【００３７】
シールタンク２には、この他、前述の不活性ガスパージ管７８のほか、均圧管７６が接続している（図３には図示せず。）。
【００３８】
再び図２に戻って説明を続ける。シールタンク２の下端に接続された排出管７１は、途中、弁８１とフレキシブルホース８２とを介して排出タンク４に接続している。排出タンク４は計量器８６を備えている。排出タンク４は、排出管７１から排出された粉体を受け取るタンクであり、シールタンク２に貯留された粉体の全排出量を貯留できる容量を有している。排出タンク４は、シールタンク２と同様に、炭素鋼などで製作される。排出タンク４への排出は重力落下で行なわれるので、排出タンク４はシールタンク２の下方に設けられ、また、途中の排出管７１も、不要な曲げ等を極力避けたルートとするのが望ましい。なお、フレキシブルホース８２は、循環使用する粉体の量を計量器８６で精度よく計量するために設けられている。
【００３９】
シールタンク２と排出タンク４との間には、さらに均圧管７６が設けられている。均圧管７６は、シールタンク２と排出タンク４の両気相部同士の間、例えば、シールタンク２の粉体上端レベルＥＬ４より上方と、排出タンク４の上面との間で接続されることが望ましい。均圧管７６は、粉体をシールタンク２から排出タンク４に排出する際のガスベントの機能を有する。すなわち、もし均圧管７６がないと、排出タンク４に滞留している気体は、粉体の排出タンク４への排出時に、排出管７１内を粉体の動きに逆らって上昇しなければならす、粉体の排出効率が悪化する。そこで、排出タンク４内の気体を、粉体の排出ルートとは別ルートでシールタンク２に移行させるため、均圧管７６が設けられている。
【００４０】
排出タンク４の下部には粉体戻り管７２が接続され、粉体戻り管７２は、ロータリーバルブ８３とフレキシブルホース８４とを介して、気体戻り管７５と合流している。ロータリーバルブ８３は、一定量の粉体を順次下流側に送出するとともに、幾分かの粉体を排出タンク４に残すことによって粉体シールを構成し、ブロア６から送られる搬送気体（後述）の排出タンク４への逆流を防止する機能を有している。なお、ロータリーバルブ８３を計量可能なものにすることも可能であり、その場合は計量器８６は不要となる。
【００４１】
気体戻り管７５は粉体を搬送する搬送気体を循環させるラインであり、途中にブロア６が設けられ、搬送気体に駆動力を与える。搬送気体は凝縮などを起こさない不活性なガスであれば特に種類を問わないが、例えば窒素ガスを用いることが好ましい。また、ブロア６は送風手段の一例であって、この他、ファンを利用したり、ガスボンベ等の蓄圧器にためた気体の圧力を利用するといった手段を用いてもよい。
【００４２】
粉体戻り管７２と気体戻り管７５とは、合流して戻り管７３となり、シールタンク２に粉体を供給する供給タンク３に向かう。戻り管７３は通常上りルートとなるが、粉体は、ブロア６で駆動された駆動気体に搬送されて、混合流となって上昇する。供給タンク３の上流側にはサイクロンセパレータ３１が設けられており、粉体を混合流から分離する。搬送気体の一部は気体戻り管７５に送られ、ブロア６で再び駆動力を与えられて再使用される。なお、排出タンク４から供給タンク３への粉体の搬送手段は、以上説明したものに限定されるわけではなく、適宜、選択、設計することができる。
【００４３】
供給タンク３は、分離された粉体を貯留し、レベル計（図示せず）を備えている。供給タンク３は、炭素鋼などで製作され、シールタンク２のシールに必要となる粉体の全量を貯蔵する容量を有している。シールタンク２への粉体の供給は重力落下で行なわれるので、供給タンク３は、シールタンク２の上方に設けられ、供給管７４によってシールタンク２の上面と接続している。供給管７４の途中には弁８５が設けられている。また、供給タンク３には搬送気体を補充するための気体補充管７７が接続している。なお、気体補充管７７の接続先は供給タンク３に限定されず、例えば、搬送気体が循環する気体戻り管７５に設けてもよい。
【００４４】
続いて、本発明の粉体開閉装置を用いた高温ガス配管の開閉方法を、図４Ａ〜４Ｇのステップ図および図５の流れ図を用いて説明する。ここでは便宜上、コークス門に石炭を装入し、コークスを生産し、コークスをコークス門から取り出す順序で説明する。
【００４５】
まず、図４Ａに示すように、コークス門１の開閉部１３ａが開放され、炭化室１１に石炭が装入される（ステップ５０１）。このとき、背景技術でも述べたように、炭化室１１は開閉部１６ａを開閉しているため大気圧で、高温の空気が充満しており、一方、ドライメーン５は高温オフガスが充満しているため、炭化室１１をドライメーン５から隔離する必要がある。このため、シールタンク２は、下降管１９の下端から所定高さまで粉体が充填され、かつ、粉体の流出防止のため、排出管７１の弁８１が閉止されている。
【００４６】
図６は、このときの粉体の貯留状態を模式的に示した図であり、同図（ａ）は、粉体が充填されているシールタンクを上方からみた平面図を、同図（ｂ）は、同図（ａ）中、ｂ−ｂ線に沿った粉体の断面図を、同図（ｃ）は、同図（ａ）中、ｃ−ｃ線に沿った粉体の断面図を各々示している。同図（ａ）の同心円は粉体の等高線を示しており、図中Ａ点は、その上部に供給管７４の開口部があることを示す。Ａ点は最も高い点であり、同図（ｃ）の２つの頂部Ａに対応し、図３の粉体上端レベルＥＬ４に対応する。同様に、図中Ｂ点は、Ａ点から最も離れた、最も低い点であり、同図（ｂ）の２つの凹部Ｂに対応し、図３の粉体下端レベルＥＬ３に対応する。なお、実際には、Ａ点は多少崩れて、富士山型の平らな頂部を有する場合もあると考えられる。粉体は、同図（ｃ）に示すように、安息角以下の所定の傾斜角ψで円錐状に堆積するので、その形状は極めて安定しており、粉体の上部から圧力が作用しても形状がくずれることはない。このようにして、図３（ｂ）に示す粉体下端レベルＥＬ３がシールタンク２のＡ点から最も遠い地点に現れ、下降管下端レベルＥＬ２と粉体下端レベルＥＬ３との間隔に相当する、必要なシール高さＬが確保される。
【００４７】
次に、図４Ｂに示すように、石炭の乾留を始めるために、開閉部１３ａおよび開閉部１６ａが閉鎖され、その後シールタンク２の粉体の全量が排出タンク４に排出される（ステップ５０２）。排出は弁８１を開くことにより、粉体が重力落下して行なわれる。このとき、排出タンク４内の気体は均圧管７６を通ってシールタンク２に移行し、粉体のスムーズな排出が促される。なお、機能的には、粉体の全量が排出されず一部が残るような構成にすることも可能である。
【００４８】
次に、図４Ｃに示すように、弁８１が閉止され、コークス門１が加熱され、乾留が開始される（ステップ５０３）。乾留によって生じた高温オフガスは第２の接続管１５を通って空のシールタンク２に流入し、そのままドライメーン５に移行し、収集される。
【００４９】
次に、図４Ｄに示すように、排出タンク４に排出された粉体を供給タンク３に搬送する（ステップ５０４）。まずブロア６が起動され、気体戻り管７５内の窒素ガスの搬送気体に駆動力が与えられる。これと同時に、ロータリーバルブ８３が所定量の粉体を逐次排出タンク４から排出する。気体戻り管７５を流れる、所定の流速を得た搬送気体は、粉体戻り管７２から流出する粉体と合流点Ｐで混合し、窒素ガスと粉体の混合流が形成され、そのまま戻り管７３内を上昇する。このとき、ブロア６からの吹き抜けを防ぐため、排出タンク４には窒素ガス吹き抜け防止分の粉体を常に残して運転する。戻り管７３を上昇した混合流は、サイクロンセパレータ３１に入り、そこで粉体が分離される。分離された粉体は一部の搬送気体とともに供給タンク３に入り、貯留される。なお、供給管７４の弁８５は閉止したままであるので、供給タンク３に入った粉体がシールタンク２に流入することはない。サイクロンセパレータ３１で分離された搬送気体は気体戻り管７５に入り、再びブロア６で駆動力を与えられる。したがって、搬送気体は、基本的には消費されることがなく、再使用が可能である。
【００５０】
次に、通常１日程度をかけて乾留が終了し、コークスを取り出せる状態になると、図４Ｅに示すように、シールタンク２に再び粉体を充填し、炭化室１１をドライメーン５から隔離する（ステップ５０５）。具体的には、供給管７４の弁８５を開いて、供給タンク３にある粉体を、重力落下でシールタンク２に充填する。このとき弁８１は既に閉止されているので、粉体はシールタンク２に留まり、シールタンク２は図４Ａで示した、粉体が貯留された状態に戻る。したがって、粉体は、乾留時に高温オフガスの流れがあるときにはシールタンク２外にあり、乾留が停止し発生ガスの流れが止まったときにシールタンク２内に導入されるので、粉体のタール等による汚染は小さい。
【００５１】
なお、供給タンク３は、高温オフガスの流入を避けるために、ドライメーン５の圧力よりも若干高めに制御される。この制御のために、気体補充管７７を経由して窒素ガスが供給タンク３内に導入される。また、図４Ｄのステップ時、排出タンク４内の粉体が気体戻り管７５に混入することによる気体戻り管７５の圧力増加を防止するため、窒素ガス排出弁（図示せず）を経由して気体戻り管７５および供給タンク３を減圧することもできる。このように供給タンク３はドライメーン５側より高圧であること、および排出タンク４が粉体によって常にシールされていることにより、弁８５の開放時や、万一の弁８５からのリーク発生時にも、高温オフガスが気体戻り管７５に混入することが防止され、気体戻り管７５やブロア６の安全な運転が可能となる。
【００５２】
次に、図４Ｆに示すように、上昇管１７の頂部にある通気口１６を、開閉部１６ａを開けることによって開放する（ステップ５０６）。この操作は、炭化室１１内のコークスを抜き出しやすくするために行なわれる。この結果、第２の接続管１５の内部に残存する高温オフガスをあらかじめ燃焼させることができる。通気口１６を開放すると、残留した高温オフガスが通気口１６の方に流れ、通気口１６から流入する空気と反応し、通気口１６付近で残留ガスが燃焼する。通気口１６を先に開放するのは、もし、コークス取出口１４を先に開放すると、残留した高温オフガスがコークス取出口１４の方に流れ、コークス取出口１４で高温オフガスの燃焼が生じてしまい、安全上好ましくないためである。この操作によって、炭化室１１の内部は、高温ではあるが、高温オフガスから空気に置換され、コークス取出口１４を安全に開放することができる。
【００５３】
次に、図４Ｇに示すように、開閉部１４ａを開け、コークス取出口１４を開放する。こうして、製造されたコークスを、押出機１０でコークス門１の外部に安全に取り出すことができる（ステップ５０７）。その後、再び図４Ａに戻り、次のサイクルを開始する。
【００５４】
また、シールタンク２の粉体シールが何らかの理由で破壊され、シール中に高温オフガスがドライメーン５から第２の接続管１５へ流入した場合には、不活性ガスパージ管７８から水蒸気または窒素ガス等の不活性パージガスを注入することができる。すなわち、シール中は、通常コークス門１は大気開放されているため、第２の接続管１５にも空気が流入しているが、この状態で粉体シールが破壊されると、ドライメーン５から漏洩した高温オフガスと、第２の接続管１５内の空気とが、下降管１９の下端部付近で接触し、燃焼または爆発を生じる可能性がある。しかもこの場合、高温オフガスと空気は無限に供給されるので、いったん火災が生じると鎮火が難しくなることも考えられる。そこで、不活性ガスを下降管１９の下端付近から注入し、空気を炭化室１１側へ押戻し、不活性ガスで置換することにより、空気と高温オフガスとの接触を避けて火災ないし爆発を防止することができる。
【００５５】
なお、シールタンク２の粉体シールが形成されない理由としては、ブロア６、ロータリーバルブ８３、排出タンク４の計量器８６、供給タンク３のレベル計の故障や、複数の供給管７４における片流れ等が考えられる。したがって、粉体シールが形成されない異常状態は計量器８６やレベル計からの信号や各機器の運転信号から検知できることは勿論である。また、不測の事態で供給タンク３へ粉体を供給できないときに備えて、緊急用の粉体投入タンクおよびシールタンク２への緊急投入ラインを別途設けるようにしてもよい。さらに、ブロア６の二重化や、ロータリーバルブ８３への緊急バイパス管等の設置も有効である。
【００５６】
次に、以上説明した本発明の粉体開閉装置のシール効果について説明する。図７には、検討に用いた開閉装置のモデル図を示す。シールタンクは直径Ｄの円筒であり、円筒の中央付近に直径ｄの下降管が下方に向いて開口している。下降管の周囲には一律シール高さＬの粉体が充填されており、その下方は空（気相）になっている。すなわち、シール要素は下降管の側方にある高さＬの粉体だけであり、粉体を通過したガスは全量が下降管内に入るというモデル化を行なった。粉体は図中「加圧側」から加圧される。また、図中のｕは粉体の下降速度（粉体部流速）であり、シール性能に応じて変わる。
【００５７】
図７に示したモデルにおける加圧側と下降管内部との間の差圧ΔPgc、シール高さＬ、およびリーク量Ｆの関係は、下記に示すエルグン(Ergun)の式で求められることが知られている。
【００５８】
【数１】
2005336224.tif 000003
【００５９】
ここで、各記号および検討に用いた入力は以下の通りである。
ΔPgc  加圧側と下降管内部との間の差圧（パラメータ：ｋｇ／ｍ2）
Ｔ      オフガス温度（８００℃）
ｐ      下降管内圧力（約１．０１×１０5Ｐａ（１ａｔｍ））
Ｌ      粉体シール高さ（パラメータ：ｍ）
Ｄ      胴径（１．５ｍ）
ｄ      管径（０．６ｍ）
Ｄｐ    粒子径（１００μｍ）
ε      空隙率（０．４）
ρ      オフガス密度（０．１７９ｋｇ／ｍ3）
μ      オフガス粘度（２．７３×１０-5Ｐａ・ｓ）
ｕ      粉体部流速（リーク量Ｆと粉体部断面積より算出：ｍ／ｓ）
Ｆ      漏れ量（パラメータ：ｍ3／ｓ）
検討結果は、差圧ΔPgcと漏れ量Ｆとをパラメータとして、ある差圧ΔPgcに対してある漏れＦが生じるシール高さＬを求めるという形で整理した。図８に結果の一例を示す。横軸には漏れ量Ｆを、縦軸には漏れ量Ｆが生じる粉体シール高さＬを示している。また、差圧としては、約４９０Ｐａ（５０ｍｍＨ2Ｏ）と約１４７０Ｐａ（１５０ｍｍＨ2Ｏ）の２ケースを検討した。この２ケースは、ドライメーン５の圧力の設計上のほぼ上限と下限に該当する（実際の運転は、４０ｍｍＨ2Ｏ程度が多い。）。横軸の「６．２Ｅ−０４」（６．２×１０-4）は、米国規格協会(ＡＮＳＩ：American National Standard Institute）に規定される、クラスIIIのバルブの許容弁座漏れ量に対応する。また、横軸の括弧内の表示は、ＡＮＳＩクラスIIIのバルブの漏れ量を１とした場合の相対値である。
【００６０】
本発明の粉体開閉装置では、例えばシール高さ０．２ｍの場合、差圧の上限値（１５０ｍｍＨ2Ｏ）で、クラスIIIのバルブの約８倍の漏れとなり、差圧の下限値（５０ｍｍＨ2Ｏ）で、クラスIIIのバルブの３倍程度となる。クラスIIIのバルブとしては例えばゲージ弁が挙げられ、バタフライ弁やゲート弁は、クラスIIIより規定漏れ量の多いクラスＩに属する。さらに、図８に示した結果は図７のモデル図に基づく場合の漏れ量の評価結果であるが、実際には図７のモデル図で下降管の下の部分は空ではなく、粉体でシールされることとなる。これらより、本発明の粉体開閉装置は、ほぼＡＮＳＩ規格のクラスIII前後に相当するシール性能を有し、バルブと比べても遜色のないシール性能を有することが検証できた。
【００６１】
最後に、本開閉装置で用いられる粉体について述べる。粉体は粒径が小さく、揃っており、高温状態でも安定し、不活性であれば、基本的にどのような粉体も用いることができる。粒径としては数μｍから数１０００μｍの範囲を選択することができる。また、市場で容易に調達可能であるのが好ましいことはいうまでもない。以上の条件を満たす粉体として、無機質粉体、例えば、けい砂、アルミナ、ジルコン砂を挙げることができ、これらの混合物でもかまわない。
【００６２】
以上説明したところをまとめると、本発明の粉体開閉装置は以下の効果を有する。
（１）高温オフガスを内包する配管の高温状態での開閉動作をバルブ並みの漏れ量で実現できる。
（２）化学的に不活性な粉体を用いるので、液体シール等で懸念される化学反応、ひいては火災発生のおそれがない。
（３）粉体は、乾留時の高温オフガスの流れがあるときにはシールタンク外にあり、乾留が停止し発生ガスの流れが止まったときにシールタンク内に導入されるので、粉体のタール等による汚染は小さく。また、粉体にタール等が付着しても、シール性能に与える影響は軽微であり、メンテナンスの必要性も小さい。
（４）一般的で安価に調達できる物質を粉体として用いるので、調達が容易であり、調達コストも少なくてすむ。
（５）粉体の搬送に窒素ガス等の不活性ガスを用いる必要があるが、再循環方式によって再利用可能なので、ほとんど消費されず、維持コストは小さい。また、供給タンクの圧力をドライメーンの圧力よりも高く保持し、排出タンクに粉体シール部を設けることで、不活性ガスへのオフがスの混入を防止することができるので不活性ガスを清浄に保つことができるだけでなく、防爆の観点からより安全な運転も可能となる。
【００６３】
また、本粉体開閉装置をコークス炉および水素製造設備に適用することによって、高温オフガスを冷却することなく水素製造設備に供給できるので、水素製造の際のクラッキングやリフォーミングに要する加熱量を大幅に節約することが可能となり、さらに、高温オフガス中に含まれるタール分は水素改質炉での水素発生量を増加させる効果もあり、より経済的な水素製造が可能となる。
【００６４】
さらに、本発明は水素製造設備だけでなく、高温・高カロリーのガス全般に対する開閉装置としても有効に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の粉体開閉装置が適用されるコークス炉の簡略化した構成図である。
【図２】図１に示すコークス炉を構成するコークス門の概略断面構成図である。
【図３】本発明の粉体開閉装置のシールタンクの外形図および内部構造図である。
【図４Ａ】本発明の粉体開閉方法を説明するステップ図である。
【図４Ｂ】本発明の粉体開閉方法を説明するステップ図である。
【図４Ｃ】本発明の粉体開閉方法を説明するステップ図である。
【図４Ｄ】本発明の粉体開閉方法を説明するステップ図である。
【図４Ｅ】本発明の粉体開閉方法を説明するステップ図である。
【図４Ｆ】本発明の粉体開閉方法を説明するステップ図である。
【図４Ｇ】本発明の粉体開閉方法を説明するステップ図である。
【図５】本発明の粉体開閉方法を説明する流れ図である。
【図６】シールタンクに粉体が貯留した状態を模式的に示す説明図である。
【図７】本発明の粉体開閉装置のシール性能の検証に用いた計算モデル図である。
【図８】本発明の粉体開閉装置のシール性能の検証結果を示す説明図である。
【図９】従来技術の高温オフガスの開閉装置の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００６６】
１  コークス門
１０  押出機
１１  炭化室
１２  装入室
１３  装入口
１３ａ  開閉部
１４  取出口
１４ａ  開閉部
１５  第２の接続管
１６  通気口
１６ａ  開閉部
１７  上昇管
１８  水平管
１９  下降管
２  シールタンク
２１  本体部
２２  下端部
２３  入口開口
２４  入口開口
２５  出口開口
３  供給タンク
３１  サイクロンセパレータ
４  排出タンク
５  ドライメーン
５１第１の接続管
６  ブロア
７１  排出管
７２  粉体戻り管
７３  戻り管
７４  供給管
７５  気体戻り管
７６  均圧管
７７  気体補充管
７８  不活性ガスパージ管
８１  弁
８２  フレキシブルホース
８３  ロータリーバルブ
８４  フレキシブルホース
８５  弁
８６  計量器
９１コークス炉
ＥＬ１  排出管接続レベル
ＥＬ２  下降管下端レベル
ＥＬ３  粉体下端レベル
ＥＬ４  粉体上端レベル
ＥＬ５  接続管接続レベル
【図１】
2005336224.tif 000004
【図２】
2005336224.tif 000005
【図３】
2005336224.tif 000006
【図４Ａ】
2005336224.tif 000007
【図４Ｂ】
2005336224.tif 000008
【図４Ｃ】
2005336224.tif 000009
【図４Ｄ】
2005336224.tif 000010
【図４Ｅ】
2005336224.tif 000011
【図４Ｆ】
2005336224.tif 000012
【図４Ｇ】
2005336224.tif 000013
【図５】
2005336224.tif 000014
【図６】
2005336224.tif 000015
【図７】
2005336224.tif 000016
【図８】
2005336224.tif 000017
【図９】
2005336224.tif 000018